(57)【要約】【課題】弁体が振動することによる異音の発生を低減し、弁座と弁体との間にできる可変オリフィスを高圧の冷媒が流れることによって発生する弁体の吸い込み現象を低減した膨張装置を提供する。【解決手段】弁座１４を形成しているハウジング１０内に形成されたシリンダ１６と、弁体１５と一体に形成されたピストン１７と、アジャストねじ２２とでダンパ室２３を構成し、弁体１５が導入される冷媒の急激な圧力変動を受けたときに、ダンパ室２３の体積変化で弁体１５の急激な動作を吸収し、これによって弁体１５の振動を抑えて異音の発生を低減する。弁体１５の弁体径（ｂ）に対する弁孔のポート径（ａ）の比（ｂ／ａ）を１．５以下にして、弁体の吸い込み現象を低減し、一次圧と二次圧との差圧に対応した流量の冷媒を流すようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体が弁座の下流側にてスプリングにより閉弁方向に付勢された状態で配置され、冷媒入口の一次圧と冷媒出口の二次圧との差圧に応じた流量の冷媒を流すことができる膨張装置において、
前記弁体に設けられ、前記弁体が冷媒の急激な圧力変動を受けたときに開閉方向に動く動作を吸収するダンパ手段を備えていることを特徴とする膨張装置。
【請求項２】
前記ダンパ手段は、前記弁体と同一軸線方向に延びていて前記弁座を形成しているハウジング内に形成されたシリンダと、前記シリンダ内に配置されて前記弁体と一体に形成されたピストンと、前記ピストンによって体積が可変となるダンパ室とを有していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項３】
前記ダンパ室は、前記シリンダの開口端に螺着または圧入されたアジャスト部材によって閉じられており、前記ピストンと前記アジャスト部材との間には前記スプリングが介挿されていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
【請求項４】
前記アジャスト部材は、前記ダンパ室内に連通する固定オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
【請求項５】
前記アジャスト部材にその軸線方向に進退自在に螺着または前記軸線方向に圧入され、前記ピストンの開弁方向のストロークを規制するストッパを備えていることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
【請求項６】
前記ストッパは、前記ダンパ室内に連通する固定オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項５記載の膨張装置。
【請求項７】
前記弁体の弁体径（ｂ）に対する弁孔のポート径（ａ）の比（ｂ／ａ）を１．５以下にしたことを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項８】
前記冷媒を二酸化炭素とした冷凍サイクルに適用したことを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車輌用エアコンの冷凍サイクルに用いられる膨張装置に関し、特に二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒とする冷凍サイクルに適用して好適な膨張装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車輌用エアコンの冷凍サイクルとして、コンデンサで凝縮された冷媒の気液分離を行うレシーバと分離された液冷媒を膨張させる温度式膨張弁とを用いた冷凍サイクルが一般に用いられている。これに対し、コンデンサで凝縮された冷媒を絞り膨張させる膨張装置（オリフィス）とエバポレータで蒸発された冷媒の気液分離を行うアキュムレータとを用いた冷凍サイクルも知られている。
【０００３】
膨張装置としては、温度式膨張弁のような冷媒流量の制御機能を持たないオリフィスチューブや、制御機能を持った可変オリフィスが用いられている。可変オリフィスの膨張装置では、弁体がスプリングによって閉弁方向に付勢された差圧弁の構造を有し、冷媒の入口と出口との差圧が小さいときには閉弁し、差圧が所定の値以上になると開弁するという特性を有している。差圧弁は、その前後の差圧が所定の値に達すると開弁するため、差圧が低下して閉弁方向に動き、閉弁方向に動くと差圧が上昇して開弁方向に動く、といった動作を繰り返すため、弁体が開閉方向に振動し、これによって異音が発生することがある。特に、ＣＯ2を冷媒とする冷凍サイクルに適用した膨張装置では、非常に大きな差圧で弁体の非常に小さなストロークを制御するため、圧力の昇降が激しい場合には、弁体がそのバランス位置に即座に停止することが困難であり、どうしても、弁体が開閉方向に振動して異音を発生してしまう結果になっている。弁体が振動すれば、冷媒流量が増大し、エバポレータでの蒸発温度が高くなってエバポレータを通過してきた車室内の空気の吹き出し温度が高くなり、さらには、弁動作が安定しないために、冷凍サイクルがハンチングを起こし、エバポレータからの吹き出し温度が安定しないことがある。
【０００４】
これに対し、弁体の振動を抑制するようにした膨張装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。この膨張装置によれば、弁体に防振ばねを装着し、防振ばねが弁体を収容しているハウジングの内壁面に圧接しながら弁体を摺動動作させている。これにより、弁体は、摺動抵抗により開閉方向の動きが規制されて振動が抑制され、振動することによる異音の発生を防止することができる。
【特許文献１】特開２００４−２１８９１８号公報（段落番号〔００２２〕〜〔００２３〕，図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の膨張装置では、異音防止対策として、弁体に装着した防振ばねがハウジングの内壁面に圧接する構造にしているので、壁面との間の摩擦力が増大して、弁の流量特性に大きなヒステリシスが発生し、これにより弁体が最適な位置として設計される設定位置からずれてしまって、冷凍サイクルの効率が悪くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
また、ＣＯ2を冷媒とする冷凍サイクルに適用した、差圧弁によって構成される従来の膨張装置では、差圧の小さい領域で全閉することができるように弁孔を開閉する弁体の径がその弁孔のポート径よりも大きく設計されていて弁孔と弁体とのラップ代が大きくなっているので、それらによって形成されるオリフィスを高圧のＣＯ2冷媒が通過する際に流速が速くなることで弁体の吸い込み現象が発生し、弁体が閉弁方向に動いて設定流量よりも流量が不足し、十分な冷力が得られなくなるという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、異音の発生を低減でき、弁体の吸い込み現象を低減できる膨張装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では上記問題を解決するために、弁体が弁座の下流側にてスプリングにより閉弁方向に付勢された状態で配置され、冷媒入口の一次圧と冷媒出口の二次圧との差圧に応じた流量の冷媒を流すことができる膨張装置において、前記弁体に設けられ、前記弁体が冷媒の急激な圧力変動を受けたときに開閉方向に動く動作を吸収するダンパ手段を備えていることを特徴とする膨張装置が提供される。
【０００９】
このような膨張装置によれば、弁体にダンパ手段を設けたことにより、導入される冷媒の一次圧の変化が小さいときには、ダンパ手段は機能しないが、急激な圧力変動があったときには、ダンパ手段が急激な圧力変動を吸収して弁体が開閉方向に動いてしまう振動を減衰させ、これによって異音の発生を低減するようにしている。
【００１０】
また、本発明では、弁体の弁体径（ｂ）に対する弁孔のポート径（ａ）の比（ｂ／ａ）を１．５以下にして、弁座と弁体との間に形成される可変オリフィスを高圧の冷媒が高速で流れることによって発生する弁体の吸い込み現象を低減し、一次圧と二次圧との差圧に応じた流量の冷媒を流すことができるようにしている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の膨張装置は、弁体にダンパ手段を持たせたことにより、冷媒の急激な圧力変化を受けても弁体の開閉方向の振動を抑制することができるので、異音の発生を低減することができ、振動による流量の増大を防止できることから、吹き出し温度の上昇を抑えることができるという利点がある。
【００１２】
また、ダンパ手段にて弁体の振動を抑制するようにしたことで、ハンチングの発生を低減することができ、吹き出し温度を安定させることができる。
さらに、ダンパ手段による異音対策としたことにより、摺動抵抗による異音対策に比べてヒステリシスを大幅に低減することができるので、安定した特性を得ることができ、冷凍サイクルを効率良く運転することができる。
【００１３】
また、弁体の径をポート径に近づけて、弁体径に対するポート径の比を１．５以下にしたことで、弁体の吸い込み現象を低減することができることから、弁体の受圧とスプリングの荷重とのバランスのみの計算値である程度特性を設定できるので特性の調整が容易になり、吸い込み現象の低減により、冷媒の流量が減ることはなくなるので、冷力を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、冷媒にＣＯ2を使用した車輌用エアコンの冷凍サイクルに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明による膨張装置が適用される冷凍サイクルの模式図である。
【００１５】
この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するコンプレッサ１と、圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ２と、冷却された冷媒を断熱膨張する膨張装置３と、断熱膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータ４と、このエバポレータ４の下流側にて余剰の冷媒を溜めておくアキュムレータ５と、ガスクーラ２にて冷却された冷媒をアキュムレータ５からコンプレッサ１に送られる冷媒によって冷却する内部熱交換器６とを備えている。
【００１６】
膨張装置３は、筒状のボディ７の中に内設されている。そのボディ７は、上流側の端部が内部熱交換器６から延びるパイプにジョイントによって連結され、下流側の端部がエバポレータ４に向かうパイプにジョイントによって連結されている。
【００１７】
冷媒にＣＯ2を使用した冷凍サイクルの動作は、原理的には、フロンを使用した冷凍サイクルとほぼ同様な動作をする。すなわち、コンプレッサ１は、アキュムレータ５にて気液分離された気相状態の冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧の気相もしくは超臨界状態の冷媒にして吐出する。コンプレッサ１から吐出された冷媒は、ガスクーラ２にて冷却され、内部熱交換器６を介して膨張装置３に送られる。膨張装置３では、導入された高温・高圧の超臨界もしくは液相状態の冷媒が断熱膨張されて低温・低圧の気液二相状態になり、エバポレータ４に送られる。エバポレータ４では、気液二相状態の冷媒が車室内の空気によって蒸発される。この気液二相状態の冷媒が蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪って車室内の空気を冷却する。エバポレータ４にて蒸発された冷媒は、アキュムレータ５に送られ、ここに一旦溜められる。アキュムレータ５に溜められた冷媒のうち、気相の冷媒が内部熱交換器６を介してコンプレッサ１に戻される。なお、冷媒にＣＯ2を使用した冷凍サイクルの場合には、内部熱交換器６により、ガスクーラ２にて冷却された高温の冷媒をアキュムレータ５からコンプレッサ１に送られる低温の冷媒によってさらに冷却、あるいは、アキュムレータ５からコンプレッサ１に送られる低温の冷媒をガスクーラ２から出た高温の冷媒によってさらに加熱することが行われている。
【００１８】
図２は膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
この膨張装置３は、筒状のハウジング１０を有している。このハウジング１０は、図の上方の開口端が高圧の冷媒が導入される一次側の冷媒入口１１を構成しており、その冷媒入口１１には、ストレーナ１２が嵌入されている。ハウジング１０の軸線方向中央部には、弁孔１３が形成され、その弁孔１３の図の下方周縁部が弁座１４を構成している。弁座１４に対向して図の下方には、弁体１５が配置されている。この弁体１５は、これと同一軸線方向に延びるハウジング１０内に形成されたシリンダ１６に軸線方向に摺動自在に配置されたピストン１７と一体に形成されている。弁体１５は、軸線方向に固定オリフィス１８が設けられ、軸線に対して直角方向に貫通形成された横孔１９に連通している。この固定オリフィス１８は、弁体１５が弁座１４に着座して閉弁しているときに、微少の冷媒を流すことができるようにしたもので、冷媒に溶け込んでいるコンプレッサ１に必要な最少量の潤滑油を循環させることを可能にするためのものである。
【００１９】
弁体１５が配置された二次側の部屋は、ハウジング１０に形成された冷媒出口２０によって外部に連通している。ピストン１７は、スプリング２１によって閉弁方向に付勢されている。これにより、弁座１４および弁体１５からなる弁は、弁孔１３より上流側の一次圧と下流側の二次圧との差圧と、スプリング２１の荷重とのバランスによって動作する差圧弁を構成している。スプリング２１は、ハウジング１０の図の下方開口部に螺入されたアジャストねじ２２によって受けられ、そのアジャストねじ２２の螺入量によってスプリング２１の荷重が調整される。
【００２０】
ハウジング１０とピストン１７とアジャストねじ２２とによって囲まれた部屋は、ダンパ室２３を構成している。このダンパ室２３は、アジャストねじ２２に設けられた固定オリフィス２４によってこの膨張装置の二次側に連通している。これにより、ダンパ室２３は、ハウジング１０とピストン１７との間のクリアランスおよびアジャストねじ２２に設けられた固定オリフィス２４を介して、この膨張装置の二次側との間で冷媒の出入りを可能にしている。さらに、ハウジング１０の外周には、膨張装置３をボディ７に挿入したときに、一次側と二次側との間で流体シールを行うＯリング２５が周設されている。
【００２１】
このような構成の膨張装置において、冷媒入口１１に導入された冷媒の一次圧と冷媒出口２０における冷媒の二次圧との差圧がスプリング２１の荷重によって決まる所定値よりも小さいときには、弁体１５は弁座１４に着座し、膨張装置は閉弁している。このため、冷媒出口２０に導入された冷媒は、弁体１５に形成された固定オリフィス２４を介して必要最少流量の冷媒が流れる。
【００２２】
ここで、弁体１５が受圧する冷媒の一次圧がスプリング２１の荷重に抗して大きくなると、弁体１５が弁座１４から離れて膨張装置は開弁する。これにより、一次側の冷媒は、弁座１４と弁体１５との間のオリフィスを介して二次側に流れ、このとき、高温・高圧の気相の冷媒は断熱膨張されて低温・低圧の気液混合の冷媒となり、冷媒出口２０から流出する。その後は、弁体１５は、一次圧と二次圧との差圧と、スプリング２１の荷重とがバランスした位置までリフトして停止し、膨張装置は一次圧と二次圧との差圧に応じた流量の冷媒を流すことができる。一次圧が緩やかに変化しているとき、弁体１５は、大きな摺動抵抗を伴うことなく一次圧の変化に追従して動くため、流量特性のヒステリシスを小さくすることができる。
【００２３】
また、冷媒入口１１に導入される冷媒の圧力が急激に上昇したとき、弁体１５はその圧力を受けて速やかに開弁方向に動こうとする。しかし、弁体１５と一体のピストン１７も開弁方向に動作して、ダンパ室２３の体積を小さくする方向に動作するので、ダンパ室２３内の圧力が上昇し、ピストン１７を閉弁方向に押し戻そうとする。これにより、弁体１５は、開弁方向の急激な動作が吸収され、一次圧の急上昇に追従した開弁方向の動作はできなくなる。その後、上昇したダンパ室２３内の圧力は、シリンダ１６とピストン１７との間のクリアランスおよびアジャストねじ２２に設けられた固定オリフィス２４を介して抜けていき、ピストン１７を閉弁方向に押し戻す力はなくなっていく。逆に、冷媒入口１１に導入される冷媒の圧力が急激に低下したときには、弁体１５およびこれと一体のピストン１７は逆の動作をして、同様に、弁体１５は、一次圧の急低下に追従した閉弁方向の動作はできない。このようにして、一次圧の昇降が激しい場合でも、弁体１５の急激な動きを抑制することができるので、弁体１５が振動するのを抑えることができ、したがって、異音の発生を大幅に低減することができる。
【００２４】
図３は差圧弁の要部拡大断面図、図４は差圧弁における弁体の吸い込み力の変化を示す図である。
この膨張装置では、図３に示したように、ハウジング１０によって形成された弁座１４とこの弁座１４に対して接離自在に配置された弁体１５とによって可変オリフィスを構成し、全閉できるように弁体１５は弁孔のポート径ａよりも大きな弁体径ｂを有していて、可変オリフィスの二次側には（ｂ−ａ）なるラップ代が存在している。
【００２５】
このため、この可変オリフィスを高圧のＣＯ2冷媒が高速で通過すると、二次側に渦流が発生して弁体１５を弁座１４の方に引き寄せる吸い込み現象が発生する。この吸い込み現象が発生すると、弁体１５は閉弁方向に動いてしまうため、差圧によって弁リフトが決められる差圧弁では、差圧に対応した流量よりも流量が不足してしまうことになる。
【００２６】
吸い込み現象は、弁体径ｂに対するポート径ａの比（ｂ／ａ）が大きく関係していることが分かった。すなわち、横軸を弁体径ｂに対するポート径ａの比（ｂ／ａ）とし、縦軸を吸い込み力で表した図４によれば、比（ｂ／ａ）が小さいが小さい領域では、吸い込み力が小さく、比（ｂ／ａ）が大きくなるに従って、吸い込み力が大きくなっている。これは、比（ｂ／ａ）が小さいが小さい領域では、ラップ代が小さいために、弁体１５が受ける渦流の影響が小さくなっていると思われる。この図４に示した関係から、弁体径ｂに対するポート径ａの比（ｂ／ａ）が１．５以下では、吸い込み力が小さく、弁体１５に対して与える吸い込み現象の影響は少ないことが分かる。この好ましい実施の形態では、弁体径ｂをポート径ａに近づけてラップ代を小さくすることにより、弁体径ｂに対するポート径ａの比（ｂ／ａ）は、１．１６程度にしている。
【００２７】
冷媒の流れによる弁体１５の吸い込み現象を低減したことにより、弁体１５の受圧とスプリング２１の荷重とのバランスのみの計算にてこの膨張装置の特性をある程度設定することができるようになる。また、動作時において、弁体１５の吸い込み現象による閉弁方向の動作がないため、所定の流量の冷媒を流すことができ、冷力が不足してしまうこともなくなる。
【００２８】
以上の膨張装置３は、閉弁時に弁体１５に設けられた固定オリフィス１８を介して流れる特性と開弁後に差圧に応じて弁体１５がリフトしていく特性とを有する、特性変化点が１点の可変オリフィスであるが、次に、特性変化点を２点にして３段階の特性を有するようにし、これによって冷凍サイクルへ適用したときの設定の自由度を向上させることができる膨張装置について説明する。
【００２９】
図５は膨張装置の別の構成例を示す中央縦断面図、図６は膨張装置の開弁特性の一例を示す図である。なお、図５において、図２に示した膨張装置の構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については同じ符号を付してそれらの詳細な説明は省略する。
【００３０】
この膨張装置３ａは、図５に示したように、スプリング２１の荷重を調整するアジャストねじ２２にその軸線方向に進退可能に螺着されたストッパ２６を備えている。このストッパ２６は、ピストン１７の開弁方向のストロークを規制するためのものであり、これによって、ピストン１７と一体に形成された弁体１５の最大リフト量を規制するようにしている。その最大リフト量は、アジャストねじ２２によるスプリング２１の荷重調整後に、ストッパ２６のねじ込みを調整することによって行うことができる。
【００３１】
ストッパ２６は、冷媒出口２０と同じ二次側に開放された中空部を有し、ピストン１７と対向する端面にはダンパ室２３の固定オリフィス２４が設けられている。もちろん、ピストン１７がストッパ２６に当接したときに固定オリフィス２４が閉塞されないよう、たとえば、ピストン１７またはストッパ２６の対向端面に固定オリフィス２４の軸線を通るような溝を形成している。
【００３２】
このように、差圧弁の開弁後、弁体１５と一体のピストン１７がストッパ２６の螺入位置によって決まる開弁ストロークに達すると、ピストン１７がストッパ２６に当接して、それ以上ストロークできない構成にしたことで、図６に示したように、開弁特性の変化点を２点にすることができる。
【００３３】
この開弁特性は、横軸に弁体１５の前後の差圧を示し、縦軸に弁体１５がリフトしたときの開口面積を同じ面積の円の直径で表わした開口径で示している。ここで、差圧が小さくて閉弁しているとき、差圧が変化しても固定オリフィス１８による一定の開口径が維持される特性になっている。差圧が上昇してアジャストねじ２２によるスプリング２１の調整で決まる開弁点（図示の例では３ＭＰａ）に達すると、差圧弁は開弁を開始し、その後は、差圧に応じて開口径が変化する特性になる。さらに差圧が上昇して弁体１５がリフトしていくと、やがて弁体１５と一体のピストン１７がストッパ２６に当接するようになる（図示の例では６ＭＰａの点）。これにより、差圧がそれ以上上昇しても、弁体１５は開弁方向にストロークすることができないので、差圧が上昇しても開口径が変化しない特性になる。その高差圧側の変化点は、ストッパ２６を調整することによって可変することができる。
【００３４】
このため、この膨張装置３ａは、開弁特性の２つの変化点をアジャストねじ２２とストッパ２６とによって個々に調整することが可能になる。これにより、冷凍サイクルへ適用し、システム効率のよいポイントに膨張装置３ａの特性を合わせ込もうとしたときに、２つの変化点を調整することができるので、膨張装置３ａの特性を設定するときの自由度を向上させることが可能になる。また、差圧が所定値以上になると、差圧が増加しても開口径の増加がなく、差圧の大きい領域で冷媒の流れ過ぎがなくなるので、効率のよい領域への調整が可能になる。
【００３５】
なお、図２に示した膨張装置３および図５に示した膨張装置３ａの構成例では、スプリング２１の荷重を調整するアジャスト部材としてアジャストねじ２２を備えているが、これをシリンダ１６の開口端に圧入する圧入部材で構成し、その圧入量によってスプリング２１の荷重を調整するようにしてもよい。同様に、膨張装置３ａのアジャストねじ２２に螺着したストッパ２６についても、これをアジャストねじ２２に圧入する構成にし、その圧入量によってピストン１７の開弁方向の最大ストローク位置を調整するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による膨張装置が適用される冷凍サイクルの模式図である。
【図２】膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図３】差圧弁の要部拡大断面図である。
【図４】差圧弁における弁体の吸い込み力の変化を示す図である。
【図５】膨張装置の別の構成例を示す中央縦断面図である。
【図６】膨張装置の開弁特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  コンプレッサ
２  ガスクーラ
３，３ａ  膨張装置
４  エバポレータ
５  アキュムレータ
６  内部熱交換器
７  ボディ
１０  ハウジング
１１  冷媒入口
１２  ストレーナ
１３  弁孔
１４  弁座
１５  弁体
１６  シリンダ
１７  ピストン
１８  固定オリフィス
１９  横孔
２０  冷媒出口
２１  スプリング
２２  アジャストねじ
２３  ダンパ室
２４  固定オリフィス
２５  Ｏリング
２６  ストッパ
ａ  ポート径
ｂ  弁体径
【図１】
2006189240.tif 000003
【図２】
2006189240.tif 000004
【図３】
2006189240.tif 000005
【図４】
2006189240.tif 000006
【図５】
2006189240.tif 000007
【図６】
2006189240.tif 000008